SE439980B - Forfarande och anordning for reglering av luft/brensleblandning vid brennare av den typ som er utformade med ett evaporatorror - Google Patents

Description

7806536-4 å.

Vid all förbränning där hög verkningsgrad och låga emitioner av skadliga produkter eftersträvas måste bränsle och luft doseras i ett visst givet förhållande. För att erhålla god förbränning ska reaktionen ske vid luftöverskott. Den teoretiska mängd luft som åtgår för för- bränning av en viss mängd bränsle benämns ¿ (lambda), och ett luft- överskott innebär alltså att Ä_ är större än 1. Det optimala Ärvärdet varierar beroende på utformningen av brännaren, typen bränsle, belastningen i brännaren med mera. Empiriskt kan man fastställa det optimala* Åt-värdet, och detta kan ofta förenklat representeras såsom en rät linje. Vid en speciell brännare har följande optimala DK-kurva erhållits: bränsle g/s ís Cla ¿2 Iluftöverskottl I | Åäo )L I ovanstående tabell har mängden bränsle angivits i g/s, och utmed den horisontella axeln har luftöverskottet Åk angivits. Det framgår att dk-värdet varierar beroende på mängden bränsle och att Å_-värdet är omvänt proportionellt mot mängden bränsle, d.v.s. att en hög mängd bränsle kräver ett relativt lågt Ähfvärde, medan en liten mängd bränsle kräver ett relativt högt Årvärde. Vid varierande belastning av brännaren måste en varierande mängd bränsle sprutas in, och därmed måste även dk-värdet regleras.

Vid en tidigare känd anordning sker regleringen av Äevärdet genom att bränslepumpen och fläkten för förbränningsluften är kopplade på samma axel men med viss utväxling, så att bränsle och förbränningsluft teoretiskt följer en beräknad eller empiriskt framtagen kurva för optimalt Å;värde.

En sådan anordning kan under vissa omständigheter ge ett tillfredsställande resultat men efter viss tids drift kan stora felaktigheter från det optimala förhållandet uppkomma beroende på att läckage kan uppkomma båda i bränsle- systemet och luftsystemet, att temperaturerna på insprutat bränsle och luft varierar med mera.

Vid en annan känd regleringsanordning för dosering av luft-bränsle- blandningen har en kemisk sond av speciell typ applicerats inuti brönnaren eller i rökgaskanalerna för avkänning av rökgasernas kemiska sammansättning. 3 7806535-4 Sådana sonder utsätts emellertid för mycket stark termisk påverkan, för risk för oxidering eller nedsotning med mera, och de kemiska sonderna får därför begränsad livslängd och ger ett osäkert resultat. Inga för närvarande förekommande Ãfsonder av denna typ förmår av olika skäl möfü och reglera legvärden, som är större eller mindre än 1,0 och dessa sonder är därför inte användbara vid de brännarsystem,som avses med föreliggande uppfinning, där det optimala )\;vördet ligger väsentligt över 1,0.

För närvarande regleras Dkvärdet vid förbränning genom att man mäter den mängd luft som genom en luftkanal pumpas in mot brännkammaren, och man låter denna luftmängd bestämma bränsleflödet enligt en fastställd Äkrkurva. Detta kan åstadkommas exempelvis med hjälp av en differens- tryckgivare, som medelst pivot-rör eller liknande är ansluten till luftkanalen mäter den färbiströmmande luftmängden, och signalen från differenstryckgivaren leds in i en elektronikenhet, vilken relaterar luftmängden till bränslemängden enligt den fastställda JR-kurvan och sertill att motsvarande bränslemängd sprutas in i brännkammaren. Ofta kan en temperatursand vara ansluten inuti det medium som ska uppvärmas eller till väggen till detta medium, och denna temperatursond är lika- ledes ansluten till elektronikenheten och markerar när temperaturen överskrider resp. underskrider en önskad temperatur, varvid elektronik- enheten påverkar en luftregleringsventil, som minskar resp. ökar den inströmmande förbrënningsluftmängden, och den ändrade luftmängden åstadkommer i sin tur en reglering av den insprutade bränslemängden,' så att temperaturen ändras till önskat värde och samtidigt ) bibehålls enligt den fastställda )§kurvan. .

Detta system utgör ett så kallat kalibrerat system, där regleringen av luftströmningen och bränsleströmningen sker utanför brännkammaren, och där systemet inte förmår ta hänsyn till förekommande läckage med mera.

Om nämligen läckage skulle förekomma vid något ställe mellan differens- tryckgivaren och brännkammaren eller i bränslepumpen eller ledningen fram till brönnkammqren kommer förbränningarna att ske vid ett )\-värde som avviker från den önskade )\=kurvan. Detta system för reglering av' Äeyärdet är dessutom komplicerat och behäftat med ett flertal felkällor. Systemet är vidare dyrbart i tillverkning och underhåll.

Vid konventionella brännare såsom oljebrännare för villapannor med mera är mängden insprutad bränsle normalt konstant, och vid installationen av anläggningen justeras luftmängden till ett fast värde genom en CO-analys.

Eftersom förhållandet luft-bränsle av olika skäl ändrar sig justeras luft- mängden vid något senare tillfälle, vanligen en gång per år. Sådana fasta system ger ett mycket bristfälligt resultat och tar framför allt inte hänsyn vsoesze-4 H till ändringar i de yttre omständigheterna såsom olika typer olja, tempera- tur- och fuktighetsvariatíoner i luften, eventuellt uppkommande läckage,- förslitning av munstycken med mera.

Föreliggde uppfinning har därför tiH.ändamål att åstadkomma en metod och en anordning för exakt dosering av luft och bränsle enligt en fastställd :N-kurva, där regleringen sker direkt från brännkammaren, och där anordningen sålunda utgår från verklig mängd bränsle och luft vid färbränningsstället, och där eventuella yttre omständigheter såsom läckage med mera helt saknar betydelse för att man ska erhålla en förbränning exakt efter en given ÄN.-kurva.

Uppfinníngen bygger på att temperaturen vid ett givet ställe i förångarröret till brännaren och'vid en given mängd bränsle utgör ett exakt mått på luftmängden, och enligt uppfinningen placeras därför en temperatursond vid ett givet ställe i förångarröret, företrädesvis nära förångarrörets mynning i brännarkammaren, och denna temperatursond ansluts till en elektronikenhet, till vilken även påverkningsorgan för en luftreglerventil och för en bränslepump är anslutna. Systemet enligt uppfinningen kan användas för konstant drift, varvid exempelvis för- bränningstemperaturen, temperaturen í arbetsmediet, rörväggstemperaturen för arbetsmediet eller liknande hålls konstant, men systemet kan lika väl användas för varierande drift, där olika effekt uttas ut arbetsmediet, d.v.s. i det ovan nämnda fallet från stirling-motorn och där förbränningen varieras beroende på denna varierande effekt.

För att förklara uppfinningen mer i detalj skall det i det följande beskrivas närmare med avseende på ett utföringsexempel och under hänvisning till bifogade ritningar. På ritningarna visar figur 1 schematiskt och i tvärsnitt en brännare utformad i enlighet med uppfinningen, och figur 2 visar ett diagram över optimalt luftöverskott fkli förhållande till bränsleflöde för tre olika temperaturer.

Den i figur 1 visade brännaren består allmänt av en koppformad bränn- kammare 1, en anordning 2 för insprutning eller inpumpning av bränsle samt en anordning 3 för inpumpning av förbränningsluft.

Brännkammaren 1, vilken i det visade fallet är cirkulärt cylinder- format är sammansatt av brännkammarväggar 4 och brännkammarbotten 5, i vilken inloppet för förbränningsluften är anordnat. Luftinloppet i brännkammarbotten 5 bildas av ett antal slitsar 6 med utböjda strömnings- läppar 7, som är utstansade ur brännkammarbotten och hänger samman med denna längs en sida 8, och de är utböjda från brännkammaren i en vinkel om ungefär 250 från brännkammarbotten. Luftslitsarna 6 bildar tillsammans med strömningsläpparna 7 ett turbulatorínlopp, där luften vid passagen bibringas en axiell skruvrörelse. För att ge bästa luftströmning är 7306536-4 s brännkammarbotten vidgad konformat utåt, och den omsluter en konvinkel om cirka 140°. Brännkammarväggarna 4 kan vara konformade utåt, t.ex. i en vinkel om 5-100.

Bränslesystemet 2 bildas av ett i 1800 omböjt evaporatorrör eller förångarrör 9, vilket sträcker sig genom brännkammarbotten 5 och med sin öppna ände 10 är vänd mot denna. Bränslet till evaporatörröret hämtas från en bränsletank 11 och pumpas med hjälp av en pump 12 genom en ledning 13 via en regleringsventil 14 och ytterligare en ledning 15 in i evaporatorröret. Från bränslepumpens 12 utgång är en returledning 16 backventil 17 monterade för att möjliggöra en reglering av bränsle- mängden utan ändring av pumpens 12 pumpverkan. Mellan ledningen 15 och evaporatorröret 9 är en blandningskammare 18 för bränsle och luft anordnad, och denna blandningskammare är försedd med ett luftinlopp 19, vilket kan vara reglerbart, och vilket avleder en bestämd del av förbränningsluften in i blandningskammaren 18 medan den övriga mängden förbrönningsluft tillåts strömma in genom luftslitsarna 6 i brännkammarhotten 5.

Andelen luft som tillförs till blandningskammaren 18 bör vara så låg, att luft-bränsleblandningen, som genom evaporatörröret 9 strömmar in i brännkammaren inte ska antändas inuti evaporatorröret. Andelen in- blandningsluft i blandningskammaren 18 kan ligga mellan 4 och 15 % eller företrädesvis mellan 6 och 10 %.

Luftsystemet 3 för tillförsel av förbränningsluft innefattar en luft- kammare 20, vilken är tätt ansluten till ytteränden på brännkammaren 1, och vilken är försedd med ett inlopp 21 för luft, som tillförs med hjälp av en pump eller en fläkt 22 via en regleringsventil 23. Mellan bränn- kammarväggarna 4 och luftkammarens 20 väggar 24 bildas ett ringformigt utrymme 25, vilket är uppdelat i en luftlabyrint med hjälp av en labyrint med hjälp av en labyrintkopp 26, som med sina väggar 27 sträcker sig in i det ringformade utrymmet 25 och delar detta i två väsentligen lika delar. Ytteränden på labyrintkoppen 25 är anordnad på avstånd från änden på luftkammaren 20 och medger en omlänkning av luften. Mellan luft- kammarens botten 28 och labyrintkoppens 26 botten 29 bildar de båda delarna en inströmningskammare 30, i vilken den inströmmande luften fördelas med jämnt tryck, och labyrintkoppens väggar 27 avgränsar en yttre och en inre strömningskanal 31 resp. 32, genom vilka i tur och ordning den ínströmmande luften passerar till en expansionskammare 33 mellan brännkammarbotten 5 och labyrintkoppens botten 29.

Mängden bränsle regleras med hjälp av ventilen 14, och mängden förbränningsluft regleras med hjälp av ventilen 23, och dessa båda ventiler är anslutna till en elektronisk enhet 34, vilken kan program- 7s06556'4 6 meras med en Åks-kurva för bränsle resp. luftöverskott på basis av temperaturen på luft-brönsleblandningen i evaporatorröret 9.

I det visade fallet ör brönnaren ansluten till en vörmebcredare 35 för vatten, gas, luft eller annat medium. Ett speciellt användningsområde utgör varmluft-eller varmgasmotorer såsom stirling motorer, där driv- luften eller drivgasen snabbt måste upphettas till mycket hög temperatur, och vörmeberedaren 35 ör i detta fall utbildad såsom ett slutet kanal- system för arbetsluften eller arbetsgasen, dör gaskanalerna bildas av 'vörmeupptagningsrör 36 (varav endast fyra stycken visas) och uppsamlare 37. Vörmeupptagningsrören 36 'dr monterade axiellt nedom och omedelbart utanför brönnkammarew I, varvid förbrönningsgaserna tillåts passera mellan värmeupptagningsrören 36 och ut genom en avgasmantel 38, som omsluter såväl brönnaren som vörmeberedaren 35. Avgasmanteln 38 bildar mellan sig och luftkammarvöggarna 24 en avgaskanal 39, i vilken avgaserna kyls i motström mot den i den yttre luftströmningskanalen 31 strömmande luften.

För att åstadkomma en töndning av luft-brönsleblandningen nör brönnaren är kall ör ett tändstift 40 anordnat i brönnkammaren framför mynningen på evaporatorröret 9, och töndstiftet är på i och för sig känt sött anslutet till en icke visad strömkölla för att alstra en töndande gnista.

Enligt uppfinningen är ett termoelement 41 monterad inuti evaporator- röret nära dennas mynning inuti brönnkammaren, och termoelementet ör via en ledning I -anslutet till den elektroniska enheten 34. Såsom nämnts tidigare ör den elektroniska enheten 34 anordnat att programmeras efter en eller flera )\fkurvor för att vid varje driftsförhållande ge ett optimalt luftöverskott )\, Primörregleringen åstadkoms genom reglering av luftspjöllet 23, och en sekundörreglering åstadkoms på grund av den därvid ändrade temperaturen genom en reglering av brönsleventilen 14.

Termoelementet 41, vilket är placerat fritt, företrädesvis centralt, inuti evaporatorröret möter temperaturen på luft-brönsleblandningen, som förs in i brönnkammaren. Denna temperatur utgör ett direkt mått på mängden luft i förhållande till mängden brönsle för den specifika Jxfkurvan.

Genom att med en viss brännare möta upp denna temperatursignal under hela lastområdet och med den önskade Åfkurvan kan till exempel följande generella kurva erhållas: 7806536-4 bränsle g/s aa Q3 : 7 temperatur __ af Denna kurva repreeenterar alltså börvärdet vid korrekt Je-kurva gengm lastområdet. Detta börvärde ska i den elektroniska enheten 34 relateras till den axiella uppmätta temperaturen.

I sin enklaste utformning anordnas systemet så att man alltid får ett exakt efter den programmerade )\rkurvan relaterat luftöverskott.

Om den av tgrmeelementet 41 registrerade temperaturen på luft- bränsleblandniflgen i evaporatorröret skulle Visa sig vara för hög jämfört med den temperatur i den programmerade )\:kurvan som motsvarar den aktuella brönslemängden så ska en justering öga rum. Temperaturen på luft-brönsle- blandningen i evaporotorröret utgör såsom nämns ovan en funktion av blandningsßörhållandet luft/bränsle, och en för låg temperatur ger anvisning om ett för högt luftöverskott medan en för hög temperatur anger ett för lågt luftöverskatt. Om vid en viss given insprutad bränsle- mängd den~av termoelementet observerade temperaturen skulle vara för hög så ger detta en anvisning om att Ds.-värdet är för lågt, och den elektronisk: enheten 34 åstadkommer då en öppning om luftspjöllet 23, så aüt en ökande mängd lyft pumpas in i brännkammren. På motsvarande Sött får man en strypning av luftspjället vid en för låg temperatur i evaporatorröret, Eftersom termoelementet åstadkommer en reglering CV luft-bränsleblandningen direkt inne i brönnkammaren får man härigenom 'en fullständig kompensering för eventuellt förekommande läckage av luft.

Om alltså ett läckage skulle uppkomma i luftsystemet, så att en delmängd luft läcker ut till omgivningen så ökar temperaturen i brännkammaren på grund av får lågt )\_-värde, och detta registreras av termoelementet, varefter en rättelse omedelbart införs.

Systemet enligt uppfinningen kan även på ett relativt enkelt sätt anpassas så att det ger en exakt temperatur för arbetsmediet i värme- bereduren 35, och för detta ändamål kan ett andra termoelement 42 vara anordnad inuti arbetsmediet, och termoelementet är genom en ledning 43 anslutet till den elektroniska enheten 34, 7806536-4 Vid normal drift utan ändring av effektuttaget i den motor, som drivs från värmeberedaren 35 ställer luftspjället 23 snabbt in sig för rätt /\_-värde i förhållande till den insprutade mängden bränsle. Om en ökande effekt tas ut ur den till värmeberedaren 35 anslutna motorn sjunker temp- eraturen på arbetsmediet och termoelementet 42 registrerar en temperatur- sänkning. En signal ges då från den elektroniska enheten 34 till luft- spjället 23 och detta öppnar och släpper in mer förbränningsluft i bränn- kammaren. Mer luft går samtidigt in i förångaren och temperaturen på luft- bränsleblandningen sjunker. Termoelementet 4l registrerar denna sjunkande temperatur till den elektroniska enheten, som därvid relaterar ftrbrännings- luftmängden och den insprutade bränslemängden till den programmerade /\.- kurvan, och en signal ges till bränsleventilen l4 att öka bränsleflödet till dess korrekt börvärde erhållits. Om därefter en minskande effekt tas ut ur den till värmeberedaren 35 anslutna motorn sker en stryaning av luft- spjället 23 och till )\~ -kurvan reglerad strypning av bränslzventilen l4.

Vid uppstartning av brännaren kan inte förångarens temperaturreglator vara inkopplad, eftersom den låga temperaturen skulle reglera insprutnings- ventilen till maximalt bränsleflöde. Ett sätt att klara en uppstart är att spärra insprutaren på en viss insprutningsmängd, som med den hxftmängd fläkten ger i detta läge medger en korrekt luft-bränsleblandning i bränn- kammaren. När temperaturen efter viss tid passerar förångarens.börvärde lösgörs spärren för bränsleinsprutaren och den ovannämnda luft-bränsle- regleringen sätt in. ,t I figur 2 visas ett antal kurvor över uppmätta Ü\~ -värden\vid kon- stanta börvärden på utloppstemperaturen ur förângaren. Utmed abskissan har luftöverskottet z\c markerats och utmed ordinaten markeras den insprutade bränslemängden uttryckt i gram per sekund. Den sträckade linjen 44 višëY den aktuella specificerade )\ -kurvan, medan de heldragna linjerna anger kurvor för tre olika temperaturvärden nämligen 375°C motsvarande 14,5 mV, 38706 motsvarande l5,0 mV och 400°C motsvarande l5,5 mV. Det framgår att 36 erhållna r\ -kurvorna för 387 resp. 40006 nära följer den specificerade ;\_-kurvan 44 från så hög bränslemängd som l,3 g/s ända ned till ungefär 0,5 g/s. Under detta värde avviker kurvorna från den specificerade 7\~ - kurvan, och drift bör därför inte ske vid bränsleflöden under omkring 0,5 g/s. Om anordningen ska användas för drift vid lägre flöden än cirka 0,5 :X g/s bör sådana lägre värden relateras till en l\_-kurva för högre temp- eratur, vilken pä ett bättre sätt följer den specificerade l\- -kurvan 44, \ och i detta fall kan den elektroniska enheten 34 programmeras för en första \ y\.-kurva för bränslevärden ned till 0,5 g/s och en andra \\_-kurva för bränsleflöden under detta värde. 7806536-4 r underförstått att den ovanstående beskrivningen och den på ppfinníngen endast avser belysande atíoner kan förekomma inom ramen Det ö rítningarna visade utföríngsformen av u exempel och att allehanda olika modífík för följande patentkrav.

Claims (6)

78065 36-4 10 P a t e n t k r a v

1. Förfarande för reglering av luft/bränsleblandning vid brännare av den typ, som är utformade med ett evaporatorrör (9), genom vilket bränslet samt någon andel förbränningsluft leds in i en brännkammare (1) och i denna blandas med ytterligare förbränninsluft och antänds, k ä n n e - t e c k n a t av att temperaturen på luft/bränsleblandningen mäts i en given punkt (41) av evaporatorröret (9) nära dettas mynning i brännkammaren vid en för tillfället vald mängd inmatat bränsle, av att den uppmätta temperaturen i den givna punkten (41) av evaporatorröret jämförs med en i förväg fastställd bör-värdestemperatur för en optimal mängd förbränningsluft vid den nämnda för tillfället valda mängden inmatat bränsle, av att mängden förbränningsluft ökas respektive minskas vid en uppmätt temperatur över respektive under den i förväg fastställda bör- värdestemperaturen i förhållande till skillnaden mellan den uppmätta temperaturen och börvärdestemperaturen, så att den verkliga temperaturen sjunker respektive stiger, och av att man vid ökande respektive minskande belastning av brännaren ökar respektive minskar mängden mängden förbränningsluft, mäter temperaturen i den givna punkten (41) av evaporatorröret (9) och i överensstämmelse med bör-värdestemperaturen ökar respektive minskar den inmatade mängden bränsle, och av att den reglerade bränslemängden bibehålls oförändrad när den verkliga temperaturen i den givna punkten av evaporatorröret uppnått bör- värdestemperatur. 7806536-4 ll

2. Förfarande enligt krav 1 vid drift med väsentligen konstant belastning, k ä n n e t e c k n a t av att mängden insprutat bränsle hålls konstant, och att regleringen av luft/bränsleblandningen sker enbart genom reglering av mängden förbränningsluft till brännkammaren.

3. Förfarande enligt krav 1 vid drift med varierande belastning, k ärin e'te c kxia t av att man vid en observerad ökning respektive minskning av belastningen av brännaren ökar respektive minskar mängden förbränninsluft, avläser temperaturen på luft/bränsleblandningen i den givna punkten (41) av evaporatorröret (9) och ökar respektive minskar mängden insprutat bränsle. så att temperaturen antar den fastställda bör- värdestemperaturen, varvid den optimala inställningen av luft/bränslef blandningen erhållits.

4. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att belastningen på brännaren observeras genom mätning av temperaturen i ett sekundärt arbetsmedium, t ex temperaturen på arbetsmediet (42) i en värmeberedare (35), och varvid man vid sjunkande respektive stigande temperatur (vid 42) på detta arbetsmedium (35) ökar respektive minskar brännarens effekt genom att öka respektive minska mängden förbrän- ningsluft, observera temperaturen i den givna punkten (41) av evaporator~ röret(9) och öka respektive minska mängden insprutat bränsle till dess den fastställda optimala börvärdestemperaturen uppnåtts och till dess temperaturen (vid 42) på det sekundära arbetsmediet (35) uppnått sin fastställda nivå.

5. Anordning för genomförande av förfarandet enligt något av föregående patentkrav för reglering av luft/bränsleblandningen vid brännare av den typ som består av en brännkammare (1), i vilken ett evaporatorrör (9) mynnar, och som är försedd med organ (11-18) för införing av bränsle och en liten andel förbränningsluft, som blandas i evaporatorröret, och där den resterande mängden förbränningsluft tillförs genom brännkammarens (1) botten, och där anordningen innehåller medel (34, 14, 23) för reglering av såväl mängden insprutat bränsle som mängden förbränningsluft, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen innehåller ett termoelement (41), som är monterat inuti evaporatorröret (9) vid eller nära rörets mynning i brännkammaren (1) och ett organ (42) för att avkänna belastningen i ett av brännaren påverkat sekundärt arbetsmedium (35), och där termoelementet (41) i evaporatorröret (9), avkännaren (42) för 7806536-4 12 belastningen i det sekundära arbetsmediet (35) och regleringsorgan för reglering av mängden bränsle och mängden förbränningsluft är anslutna till en gemensam elektronisk styrenhet (34) av i och för sig känd typ, vilken är anordnad så, att den vid varje förekommande mängd insprutat bränsle per tidsenhet reglerar mängden förbränningsluft så, att temperaturen vid termoelementet (41) i evaporatorröret (9) hålls vid en i förväg fastställd bör-värdestemperatur, och varvid förhållandet mellan mängden förbrän- ningsluft och inmatat bränsle ligger vid en i den elektroniska styrheten improgrammerad optimal nivå.

6. Anordning enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att det sekundära arbetsmediet utgörs av en till brännaren (1) ansluten värmeberedare (35), och av att organet för avkänning av belastningen utgörs av ett andra termoelement (42), vilket avkänner temperaturen på arbetsmediet i värmeberedaren (35), varvid det andra termoelementet (42) styr ändringen av mängden insprutat bränsle vid ökande respektive minskande belastning, medan den första termoelementet (41) håller mängden förbränningsluft vid den i förväg fastställda optimala mängden i förhållande till mängden inmatat bränsle.